毫米波inalngan hemt栅结构优化与器件特性研究-optimization of millimeter wave inal ngan hemt gate structure and research on device characteristics.docxVIP

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2018-05-28 发布于上海
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毫米波inalngan hemt栅结构优化与器件特性研究-optimization of millimeter wave inal ngan hemt gate structure and research on device characteristics

摘要高频率、高功率一直以来都是 GaN 基 HEMT 器件研究的热点。InAlN/GaN HEMT 则着重于提高器件的电流增益截止频率（fT）。InAlN 具有极强的自发极化效应，能产生浓度高于 AlGaN/GaN 异质结的二维电子气。即使器件栅长缩短到深亚微米数量级，依然具有较大的器件纵横比（Lg/tbar），从而避免器件栅极控制能力的减弱。因此，毫米波 InAlN/GaN HEMT 比 AlGaN/GaN HEMT 更适合高频方面的应用。本论文借助二维数值仿真工具 Sentaurus TCAD 对栅长缩短造成 InAlN/GaN HEMT 的短沟道效应的原因进行了深入分析，发现漏致势垒降低（DIBL）和栅极下方沟道电势的二维分布是栅极缩短时引起短沟道效应的主要原因。当器件的栅长 Lg 大于 120nm 时，缩短栅长可以有效提高 fT；当栅长小于 60nm 时，缩短栅长的方法对 fT 的提升已经没有明显的效果了。为了设计合适的栅极结构从而提高器件的 fT，分别对 T 型栅、τ 型栅和 Γ 型栅结构的 InAlN/GaN HEMT 进行仿真优化。分析发现栅极场板会减小器件的 fT，对 fmax 却有一定的提升。若要通过采用场板结构提高器件的 fmax，可尽量增大靠近源极一端的栅极场板长度。并且使用较高的栅跟高度和较大的栅源距可以有效地改善器件的频率特性。然而，器件的击穿电压会随着栅源距的增大而减小。所以若想使器件同时具备较好的频率特性和击穿特性，必须要折中考虑，从而选择较为合理的栅极位置。在上述理论研究和仿真分析的基础上，提出了新型复合金属栅（CMG）结构的 GaN 基 HEMT 器件。其利用不同功函数的栅极金属在栅极下方的沟道内形成阶梯形电势分布，抬高了靠近漏极一端的栅极电势，屏蔽了漏极电势对沟道的影响，从而有助于抑制短沟道效应。同时，金属界面间形成的峰值电场能提高栅下电子的平均速率，从而改善电子传输效率，提高直流特性，并且栅极电容的减小和直流跨导的提高又能提高器件的频率特性。并且这些性能的改善随着构成栅极金属的种类增多而越明显。基于 Lombardi 迁移率模型对栅长为 200nm 的 InAlN/GaN HEMT 进行了实验与仿真的对比分析。当栅源电压为 2V 时，器件的最大饱和输出电流为 500mA/mm。 fT 和 fmax 分别为 65.8GHz 和 143.6GHz。利用 Lombardi 迁移率模型分析了界面粗糙度散射对器件的影响。结果表明，异质结界面粗糙度散射缩短了沟道电子的平均传输寿命，使平均电子迁移率减小，从而导致器件的饱和电流和跨导分别减小 57%和 69%，fT 和 fmax 分别降低 58%和 74%。关键词：InAlN/GaN HEMT，截止频率，短沟道效应，栅结构，Lombardi 模型ABSTRACTHigh frequency and high power are hotspots of GaN-based HEMT device all the time. And the most important for InAlN/GaN HEMT is to improve the current gain cutoff frequency (fT). InAlN has so strong spontaneous polarization effect that it can generate two-dimensional electron gas which has a higher density than AlGaN/GaN heterojunction does. Bigger aspect ratio is possible for InAlN/GaN HEMT even when the gate length is scaled to deep submicron. So it can avoid gate control ability degradation. Obviously, millimeter-wave InAlN/GaN HEMT is better than AlGaN/GaN HEMT in high frequency application.Analysis of the the reasons that cause short channel effects (SCEs) by gate length scaling have been done with two-dimensional numerical simulation tool Sentaurus TCAD. It reavels that, drain